经典力学的成就与局限性

武胜中学吴建兵静力学(描述静止物体)运动学(描述物体运动)动力学(描述物体受力作用下的运动)经典力学(牛顿力学)经典力学模块分类牛顿伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克、哈雷等牛顿所说:"如果说我看得远,那是因为我站在巨人们的肩上。"经典力学金字塔的建立开普勒万有引力定律牛顿三大定律亚里士多德伽利略笛卡儿惠更斯牛顿国别生活年代古希腊,约公元前384～公元前322年意大利,1564～1642年法国,1596～1650年荷兰,1629～1695年英国,1642～1727年主要的科学研究方法观察、思维、推理观察实验、假设、数学推理三者相结合实验观察、数学推理实验、数学推理归纳与演绎、综合与分析、实验观察等力学方面的主要成就两个反面的结论:①力是维持物体运动的原因。②重的物体比轻的物体下落得快。①自由落体运动规律。②力学相对性原理惯性定律①制成了世界上第一架计时摆钟。②测量出重力加速度的值。①三大运动定律、②万有引力定律。科学家对经典力学的贡献

经典力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律更确立了牛顿的地位,牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,经受实践检验。

由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒律等是航空航天技术理论的基础。火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射,都是牛顿力学规律的应用范例……1905年,出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度,其它任何事物──速度、长度、质量和经过的时间,都随观察者的参考系(特定观察)而变化。牛顿建立的经典力学已相当完善,爱因斯坦为什么还要提出相对论。相对论是否全盘否定了牛顿的经典力学理论?经典力学的局限性和适用范围?

经典力学中的空间和时间力学的目的在于描述物体在空间中的位置如何随"时间"而改变。这里,"位置"和"空间"应如何理解是不清楚的。设一架飞机正在匀速地行驶,从飞机上投下一枚炸弹。那么,如果不计空气阻力的影响,飞行员看见炸弹是沿直线落下的。从地面上观察这一举动的行人则看到炸弹是沿抛物线落到地面上的。一、对牛顿运动定律受参考系限制的认识借助于这一实例可以清楚地知道不会有独立存在的轨线("路程——曲线");而只有相对于特定的参考物体的轨线。可见,在非惯性系中,牛顿定律不再成立。现在问:炸弹所经过的各个"位置"是"的确"在一条直线上,还是在一条抛物线上的呢?经典力学(牛顿运动定律)在惯性系中成立(适用)。二、经典力学受速度限制的分析在经典力学中,物体的质量是不随运动状态改变的。但是,按照20世纪初著名物理学家爱因斯坦建立的狭义相对论,质量要随物体运动速度的增大而增大。物体的质量与运动速度的关系:式中m0是物体静止时的质量,m是物体速度为v时的质量,c是真空中的光速。

可见,当v<<c时,m≈m0;当v趋近于c时,m趋近于无穷大。因此,当物体的速度远小于真空中的光速时,经典力学完全适用;当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了。经典力学(牛顿运动定律)在低速运动的物体(低速世界)中成立(适用)。设河流中的水相对于河岸的速度为v水岸,船相对于水的速度为v船水,则在经典力学中,船相对于岸的速度为：这似乎是天经地义的。但是,这个关系式涉及两个不同的惯性参考系,而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系。相对论认为,同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的,因而上式不能成立。(矢量和)当一些问题牛顿解释不了时,它就只好用上帝的万能来解释,为此牛顿花费了后半生的心血,这正是牛顿的悲剧。不敢相信图中的横线是平行的,不过它就是平行的两个位于中心的圆哪个大?其实一样大的!

三、经典力学在分析宏观与微观的困难第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现:伦琴发现X射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界。人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释。伦琴发现X射线汤姆生发现电子贝克勒耳发现天然放射线宏观领域微观世界经典力学难以解释微观粒子的运动:科学家们发现,电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动在很多情况下不能用经典力学来说明。20世纪20年代量子力学的出现,才很好地揭示了微观世界的基本规律。经典力学(牛顿运动定律)在宏观世界中成立(适用),微观世界不适用。普朗克创立量子力学四、两种不同的时空观"科学漫步"栏目中提到了牛顿和爱因斯坦的两种不同的时空观。牛顿认为:空间是独立于物体及其运动而存在的,时间也是独立于物体及其运动而存在的,这是一种经典时空观。

爱因斯坦则认为:在研究物体的高速运动(速度接近真空中的光速)时,物体的长度即物体占有的空间,以及物理过程、化学过程,甚至还有生命过程的持续时间,都与它们的运动状态有关,空间与时间不再与物体及其运动无关而独立存在。这是一种崭新的时空观。(一)经典时空观(绝对时空观)(1)同时的绝对性(2)时间间隔的绝对性(3)空间距离的绝对性

时间、长度和质量这三者都与参考系的运动无关。(二)相对论时空观(1)同时是相对的(3)动尺变短(4)运动的物体质量变大(1)不同惯性参考系,物理规律相同1、两条基本假设(2)任何惯性系,光速不变2、狭义相对论结论(2)动钟变慢

时间、长度和质量这三者都与参考系的运动有关。爱因斯坦狭义相对论

经典时空观狭义相对论时空观光速

同时

时间与空间

质量

相对的绝对的(不变)绝对的与运动无关,绝对的与运动无关,不变的相对的与运动有关,相对的随速度增加而增大经典时空观与相对论时空观五、强引力作用下出现的问题

牛顿的万有引力定律取得了巨大的成就,但在一些问题上也遇到了困难。例如:水星的公转轨道在不断旋进,其实际观察值要比经典力学的预言值多。1915年,爱因斯坦创立的广义相对论对此则能作出很好的解释,同时还预言光线经过大质量星体附近时会发生偏转,且已被观测证实。另外,根据牛顿的理论,当天体被压缩成半径几乎为0的一个点时,引力趋于无穷大;而爱因斯坦的理论则认为,引力趋于无穷大发生在半径接近一个"引力半径"的时候,这个引力半径的值由天体的质量决定。当天体的实际半径接近引力半径时,由爱因斯坦和牛顿引力理论计算出的力的差异急剧增大,在强引力情况下牛顿引力理论不再适用。牛顿运动定律只适用于弱引力,在强引力的作用下,牛顿的引力理论不再成立。六、经典力学的适用范围

经典力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不适用于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界;只适用于弱引力情况,不适用于强引力情况。

对于高速运动(速度接近真空中的光速),需要应用爱因斯坦的相对论。当物体的运动速度远小于真空中的光速时,相对论物理学与经典物理学的结论没有区别。

对于微观世界,需要应用量子力学。当普朗克常数可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。对于强引力情况,需要应用爱因斯坦引力理论。当天体的实际半径远大于它们的引力半径时,爱因斯坦引力理论和牛顿引力理论计算出的力的差异并不很大。总之

经典力学只适用于低速、宏观、弱引力的情况。当物体的速度远小于光速c时,相对论物理学和经典物理学的结论没有区别。当另一个重要的常数即"普朗克常量"可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。经典力学狭义相对论广义相对论量子力学互为补充,互不矛盾,互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速高速微观世界强引力七、牛顿的科学方法"科学足迹"中总结了牛顿的科学方法,这些科学方法值得我们借鉴。

重视实验:重视实验,从归纳入手,这是牛顿科学方法论的基础。

逻辑推论:为了归纳成功,不仅需要大量的可靠资料与广博的知识,而且要有清晰的逻辑头脑。

数学归纳:事物之间的本质联系只有通过数学才能归纳为能够测量、应用和检验的公式和定律。Einstein对相对论的解释

当你和一个漂亮姑娘在一起坐一小时,你感觉只坐了一分钟,当你坐在火炉旁一分钟,就好象坐了一小时,这就是相对论。AlbertEinstein世纪伟人补充内容1.狭义相对论的两个基本假设

狭义相对论的整套理论是基于以下两个基本假设之上的：a.爱因斯坦相对性原理:在不同的参考系中,一切物理规律都是相同的。b.光速不变原理:真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。2.时间的相对性——钟慢效应式中v是运动物体的速度,c是真空中的光速,△t′是运动体中的观察者观察到的时间间隔,△t是地面上的观察者观察到的时间间隔。由于<1,所以△t>△t′,即运动体中的观察者观察到的时间间隔变短了,从地面上观察运动物体的时间变慢了。这就是所谓的"钟慢效应"。时间的相对性符合以下规律:3.空间的相对性——尺缩效应式中v是运动物体的速度,c是真空中的光速,L′是运动体中的观察者测得的长度,L是地面上的观察者测得的长度。<1,所以L<L′,即地面上的观察者观察到运动体的长度变短了,这就是所谓的"尺缩效应"。由于空间的相对性符合以下规律:4.相对论速度叠加公式相对论的速度叠加公式为:

5.广义相对论的两个基本原理广义相对论有以下两条基本原理:广义相对性原理:在任何参考系中(包括惯性参考系和非惯性参考系)物理规律都是相同的。等效原理:一个均匀的引力场与一个做匀加速运动得到参考系是等效的。